專利名稱：固態(tài)成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)成像設(shè)備，例如一種CCD圖像傳感器或者CMOS圖像傳感器，包括由二維排列的像素定義的成像像素區(qū)和濾色鏡。
背景技術(shù)：
一般地，固態(tài)成像設(shè)備，例如CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器，通常作為微型攝像機(jī)安裝于數(shù)字相機(jī)和便攜式電話中。固態(tài)成像設(shè)備包括成像像素區(qū)，其中以行和列的形式二維地排列有多個(gè)像素，每個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換區(qū)，例如光電二極管。像素將成像光轉(zhuǎn)換成信號電荷，將信號電荷轉(zhuǎn)換成電信號，以得到與二維圖像相對應(yīng)的圖像信號。
在CCD圖像傳感器中，由像素中的光電二極管得到的信號電荷通過CCD傳輸寄存器傳送給輸出單元，并在一次全部地轉(zhuǎn)換成電信號之后輸出。在CMOS圖像傳感器中，每個(gè)像素包括光電二極管和晶體管電路。由光電二極管得到的信號電荷通過晶體管電路轉(zhuǎn)換成電信號，并通過信號線輸出。
在這些固態(tài)成像設(shè)備中，為了捕獲色彩圖像，例如RGB基色濾光器以馬賽克的形式被設(shè)置在成像像素區(qū)中，一組鄰接的像素接收具有R、G、B波長的光分量，并且從色彩分量圖像信號獲取色彩圖像信號。
例如公開號為2000-201355的日本未審查專利申請披露了一種色彩CCD成像設(shè)備，該色彩CCD成像設(shè)備將具有所謂的基色拜耳(Bayer)模式(pattern)的濾色鏡用作具有上述色彩模式的濾色鏡。在基色拜耳模式中，一個(gè)紅色像素、一個(gè)藍(lán)色像素和兩個(gè)綠色像素以2×2階像素矩陣的形式排列，來確定一個(gè)組。
在以下描述中，將限定一個(gè)組的四個(gè)像素(一個(gè)紅色像素、一個(gè)藍(lán)色像素和兩個(gè)綠色像素)稱為一個(gè)基本單元。
在基色拜耳模式中，兩個(gè)綠色濾光器以平衡方式對角地布置在由四個(gè)像素限定的每一個(gè)基本單元中。因此，這種模式能有效地確保亮度級別。
在上述固態(tài)成像設(shè)備中，當(dāng)每個(gè)像素的大小和每個(gè)像素中晶體管的數(shù)量(在CMOS圖像傳感器中)減小時(shí)，像素有時(shí)具有不同的形狀(結(jié)構(gòu))。
附圖6是一種具有基色拜耳濾色鏡的公知固態(tài)成像設(shè)備中的成像像素區(qū)的像素模式的俯視圖。
如附圖6所示，多個(gè)像素10A和10B基本排列在行列矩陣中?；荻鶵GB濾色鏡20與每個(gè)由2×2個(gè)像素限定的基本單元12對應(yīng)地排列。在圖中，基本單元和濾色鏡由虛線表示的框體包圍。
標(biāo)有A的像素10A和標(biāo)有B的像素10B結(jié)構(gòu)不同。具有A結(jié)構(gòu)的兩個(gè)像素10A排列在每個(gè)基本單元12的一側(cè)(圖中為上側(cè))，具有B結(jié)構(gòu)的兩個(gè)像素10B排列在每個(gè)基本單元12的另一側(cè)(圖中為下側(cè))。
然而，當(dāng)基色拜耳濾色鏡位于包括不同結(jié)構(gòu)像素的上述固態(tài)成像設(shè)備中時(shí)，圖像質(zhì)量有時(shí)會(huì)降低，例如，可以在行間(像素行)發(fā)現(xiàn)亮度的變化(條紋)。
這是由具有不同結(jié)構(gòu)的像素對位于基色拜耳模式的每個(gè)基本單元中的相同綠色濾光器中的分配引起的。
圖7和8示出了具有不同結(jié)構(gòu)的像素的例子。圖7示出像素中讀出晶體管的位置是不相同的。圖8示出了像素中光電轉(zhuǎn)換區(qū)域的光接收區(qū)不相同的情況。
在圖7中，用于從像素30A中的光電轉(zhuǎn)換區(qū)域31讀取電荷的讀出晶體管(讀出門電路)32的位置與在像素30B中不同?；谶@個(gè)原因，像素30A和像素30B關(guān)于斜側(cè)光具有不同的光接收特征。
在圖8中，像素40A中光電轉(zhuǎn)換區(qū)域41的大小不同于像素40B(讀出晶體管(讀出門電路)42的位置是相同的)中的大小。在這種情況下，像素40A和像素40B也具有不同的光接收特征。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種固態(tài)成像設(shè)備，該固態(tài)成像設(shè)備具有由不同結(jié)構(gòu)像素所限定的成像像素區(qū)，和盡管像素小型化，該固態(tài)成像設(shè)備仍然可以通過相同色彩的濾色鏡和具有不同結(jié)構(gòu)的像素的結(jié)合來防止圖像質(zhì)量的降低，從而保證高圖像質(zhì)量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種固態(tài)成像設(shè)備，包括由多個(gè)二維排列的像素限定的成像像素區(qū)，這些像素包括各自的光電轉(zhuǎn)換區(qū)并具有不同結(jié)構(gòu)；還包括濾色鏡，該濾色鏡包括多個(gè)色彩分量濾光器，與各自像素相對應(yīng)地布置在成像像素區(qū)中，從而向像素的光電轉(zhuǎn)換區(qū)提供特定的色彩光分量。濾色鏡中用于相同色彩的色彩分量濾光器與具有相同結(jié)構(gòu)的像素相對應(yīng)地布置。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種固態(tài)成像設(shè)備，包括由多個(gè)二維排列的像素限定的成像像素區(qū)，每個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換區(qū)；還包括布置在像素上的濾色鏡。成像像素區(qū)包括多個(gè)第一像素和不同于第一像素的結(jié)構(gòu)的多個(gè)第二像素。濾色鏡中包括的、用于相同色彩的色彩分量濾光器布置在第一像素或第二像素中。


圖1A至1C的平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有基色拜爾濾色鏡的固態(tài)成像設(shè)備中成像像素區(qū)的像素模式；圖2A至2C的平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的具有基色拜爾濾色鏡的固態(tài)成像設(shè)備中成像像素區(qū)的像素模式；圖3A至3D的平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的具有基色拜爾濾色鏡的固態(tài)成像設(shè)備中成像像素區(qū)的像素模式；圖4A至4D的平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的具有基色拜爾濾色鏡的固態(tài)成像設(shè)備中成像像素區(qū)的像素模式；圖5是固態(tài)成像設(shè)備(模塊型)或應(yīng)用本發(fā)明的攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)圖；圖6A至6C的平面圖示出了具有基色拜爾濾色鏡的公知固態(tài)成像設(shè)備中成像像素區(qū)的像素模式；圖7的平面圖示出了各個(gè)像素的讀出晶體管的位置互不相同的情況；圖8的平面圖示出了各個(gè)像素的光電轉(zhuǎn)換區(qū)的光接收區(qū)域互不相同的情況。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的固態(tài)成像設(shè)備中，當(dāng)把基色拜爾濾色鏡提供給被不同結(jié)構(gòu)的像素限定的成像像素區(qū)時(shí)，濾色鏡中用于相同色彩的色彩分量濾光器對應(yīng)于具有相同結(jié)構(gòu)的像素而布置。
具體地，像素基于濾色鏡中的色彩分量濾光器的排列而布置，或者色彩分量濾光器基于像素的排列而布置。
在前一種情況中，濾色鏡中的兩個(gè)綠色分量濾光器布置在由成像像素區(qū)中以兩行和兩列矩陣排列的四個(gè)像素限定的基本單元的第一對角線方向，一個(gè)紅色分量濾光器和一個(gè)藍(lán)色分量濾光器布置在第二對角線方向。分配給綠色分量濾光器的第一像素排列在成像像素區(qū)中隔行和隔列的位置，以便總是對應(yīng)于綠色分量濾光器。這樣的排列可以利用公知的濾色鏡僅通過改變像素的排列來實(shí)現(xiàn)。
在后一種情況中，提供了具有不同結(jié)構(gòu)的第一像素和第二像素，具有相同結(jié)構(gòu)的像素連續(xù)排列在像素行方向和像素列方向。在濾色鏡中，首先，一個(gè)紅色分量濾光器和一個(gè)藍(lán)色分量濾光器置于基本單元中央的兩個(gè)第二像素上，兩個(gè)綠色分量濾光器置于兩個(gè)對角排列的第一像素上，其間具有兩個(gè)第二像素。因此，基本單元由排列在實(shí)質(zhì)呈曲柄形的區(qū)域中的四個(gè)像素限定，兩個(gè)第一像素和綠色分量濾光器布置在基本單元的對角線上。這樣的排列可以僅通過改變?yōu)V色鏡而不改變像素的排列來實(shí)現(xiàn)。
通過上述結(jié)構(gòu)，濾色鏡的色彩分量濾光器可以依照像素的結(jié)構(gòu)布置。因此，通過具有不同結(jié)構(gòu)的像素和色彩分量濾光器的結(jié)合，可以避免圖像質(zhì)量的下降。
本發(fā)明可類似地應(yīng)用于包括具有其他模式而非基色拜爾模式的濾色鏡的固態(tài)成像設(shè)備。
<第一實(shí)施例>
圖1A至1C的平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的具有基色拜爾濾色鏡的固態(tài)成像設(shè)備中成像像素區(qū)的像素模式。
參照圖1A至1C，多個(gè)像素110A和110B以類似附圖6所示的公知固態(tài)成像設(shè)備的方式，排列在第一實(shí)施例的固態(tài)圖像傳感器的行列矩陣中?；轄枮V色鏡120與在2×2個(gè)像素形成的矩形區(qū)域中提供的每個(gè)基本單元112對應(yīng)地布置。圖中，基本單元112和濾色鏡120由虛線表示的框體包圍。
與圖6所示的像素模式不同，第一實(shí)施例中，像素列在垂直方向(列方向)交替變換一個(gè)像素。因此，如圖1C所示，具有A形結(jié)構(gòu)的像素(第二像素)110A和具有B形結(jié)構(gòu)的像素(第一像素)110B交替排列在垂直和水平兩個(gè)方向上。
當(dāng)濾色鏡120具有與圖6中相似的色彩分量濾光器的模式時(shí)，每個(gè)基本單元112中的兩個(gè)綠色分量濾光器與具有B結(jié)構(gòu)的兩個(gè)像素(第一像素)110B相對應(yīng)地布置。紅色分量濾光器和藍(lán)色分量濾光器與具有A結(jié)構(gòu)的兩個(gè)像素(第二像素)110A相對應(yīng)地布置。
因此，也有可能根據(jù)像素的結(jié)構(gòu)放置色彩分量濾光器，并因此提高圖像的質(zhì)量。
<第二實(shí)施例>
圖2A至2C的平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的具有基色拜爾濾色鏡的固態(tài)成像設(shè)備中成像像素區(qū)的像素模式。
參照圖2A至2C，多個(gè)像素210A和210B以類似于圖1A至1C所示的第一實(shí)施例的方式，排列在第二實(shí)施例的固態(tài)圖像傳感器的行列矩陣中?；轄枮V色鏡220與在由2×2個(gè)像素形成的矩形區(qū)域中提供的每個(gè)基本單元212對應(yīng)地布置。圖中，基本單元212和濾色鏡220由虛線表示的框體包圍。
與圖6所示的像素模式不同，第二實(shí)施例中，像素行在水平方向(行方向)交替變換一個(gè)像素。因此，如圖2C所示，具有A結(jié)構(gòu)的像素(第二像素)210A和具有B結(jié)構(gòu)的像素(第一像素)210B交替排列在垂直和水平兩個(gè)方向上。
當(dāng)濾色鏡220具有與圖6中相似的色彩分量濾光器的模式時(shí)，每個(gè)基本單元212中的兩個(gè)綠色分量濾光器與具有B結(jié)構(gòu)的兩個(gè)像素(第一像素)210B相對應(yīng)地布置。紅色分量濾光器和藍(lán)色分量濾光器與具有A結(jié)構(gòu)的兩個(gè)像素(第二像素)110A相對應(yīng)地布置，如圖6所示。
因此，有可能根據(jù)像素的結(jié)構(gòu)放置色彩分量濾光器，并因此提高圖像的質(zhì)量。
<第三實(shí)施例>
圖3A至3D的平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的具有基色拜爾濾色鏡的固態(tài)成像設(shè)備中成像像素區(qū)的像素模式。
參照圖3A至3D，在第三實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備中，具有A結(jié)構(gòu)的像素(第二像素)310A的行和具有B結(jié)構(gòu)的像素(第一像素)310B的行以類似于圖6所示的公知固態(tài)成像設(shè)備中的方式交替地排列。然而，基本單元和濾色鏡的結(jié)構(gòu)與圖6所示的不同。
在第三實(shí)施例中，紅色分量濾光器和藍(lán)色分量濾光器在每個(gè)基本單元312的中心處相鄰接，與具有A結(jié)構(gòu)并在水平方向(行方向)上相鄰接的兩個(gè)像素(第二像素)310A相對應(yīng)。兩個(gè)綠色分量濾光器布置在具有B結(jié)構(gòu)的兩個(gè)像素(第一像素)310B上，并且使之在對角線方向上彼此相對，且其間具有兩個(gè)第二像素310A。也就是說，在基本單元312中，第一像素310B中的一個(gè)與第二像素310A中的一個(gè)(左邊的一個(gè))的列方向上的一側(cè)(較低的一側(cè))相鄰接。另一個(gè)第一像素310B與另一個(gè)第二像素310A(右邊的一個(gè))的列方向上的另一側(cè)(較高的一側(cè))相鄰接。
因此，基本單元312由排列在實(shí)質(zhì)上呈曲柄形區(qū)域中的四個(gè)像素310A和310B限定。兩個(gè)第一像素310B和兩個(gè)綠色分量濾光器布置在基本單元312的對角線上。
在第三實(shí)施例中，也有可能根據(jù)像素的結(jié)構(gòu)放置色彩分量濾光器，并因此提高圖像的質(zhì)量。
圖3A和3B示出了將具有不同結(jié)構(gòu)的像素310A和310B結(jié)合成基本單元的方法。具有不同結(jié)構(gòu)的像素310A和310B可以對角排列，如圖3A所示，也可垂直地鄰接，如圖3B所示。盡管在圖3C和3D中像素310A和310B垂直鄰接、并且綠色分量濾光器布置在相應(yīng)的位置上，它們?nèi)匀豢梢詫堑嘏帕小?br> <第四實(shí)施例>
圖4A至4D的平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的具有基色拜爾濾色鏡的固態(tài)成像設(shè)備中成像像素區(qū)的像素模式。
在第四實(shí)施例的固態(tài)成像設(shè)備中，具有A結(jié)構(gòu)的像素(第二像素)410A的列和具有B結(jié)構(gòu)的像素(第一像素)410B的列，如圖所示交替地排列?；締卧?12和濾色鏡420的結(jié)構(gòu)與上述第三實(shí)施例不同。
紅色分量濾光器和藍(lán)色分量濾光器在每個(gè)基本單元412的中心處相鄰接，與具有A結(jié)構(gòu)并在垂直方向(列方向)上相鄰接的兩個(gè)像素(第二像素)410A相對應(yīng)。兩個(gè)綠色分量濾光器布置在具有B結(jié)構(gòu)的兩個(gè)像素(第一像素)410B上，并使之在對角線方向上彼此相對，且其間具有兩個(gè)第二像素410A。也就是說，在基本單元412中，第一像素410B中的一個(gè)與第二像素410A中的一個(gè)(上邊的一個(gè))的行方向上的一側(cè)(左邊)相鄰接。另一個(gè)第一像素410B與另一個(gè)第二像素410A(下邊的一個(gè))的行方向上的另一側(cè)(右側(cè))相鄰接。
因此，基本單元412由排列在實(shí)質(zhì)上呈曲柄形區(qū)域中的四個(gè)像素410A和410B限定。兩個(gè)第一像素310B和兩個(gè)綠色分量濾光器布置在基本單元412的對角線上。
在第四實(shí)施例中，也有可能根據(jù)像素的結(jié)構(gòu)放置色彩分量濾光器，并因此提高圖像的質(zhì)量。
圖4A和4B示出了將具有不同結(jié)構(gòu)的像素410A和410B結(jié)合成基本單元的方法。具有不同結(jié)構(gòu)的像素310A和310B可以對角排列，如圖4A所示，也可水平地鄰接，如圖4B所示。盡管在圖4C和4D中，像素410A和410B水平鄰接、并且綠色分量濾光器布置在相應(yīng)的位置上，它們?nèi)匀豢梢詫桥帕小?br> 本發(fā)明的固態(tài)成像設(shè)備可以在一個(gè)芯片或相當(dāng)于若干芯片集合體的模塊上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)固態(tài)成像設(shè)備作為若干芯片集合體的形式時(shí)，它包括例如用于圖像捕捉的傳感器芯片和用于進(jìn)行數(shù)字信號處理的信號處理芯片，有時(shí)還包括如圖5所示的光學(xué)系統(tǒng)。
在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，表示像素的排列和行的方向的術(shù)語“行”和“列”分別指矩陣的水平方向和垂直方向。然而，本發(fā)明不限于元件的這種布置方式。例如，信號可以通過水平方向布置的信號線從像素讀入成像像素區(qū)的部。術(shù)語“行”和“列”表示的方向依賴于其定義。因此，例如當(dāng)“行”表示垂直方向時(shí)，本發(fā)明的“行”和“列”可作相反的解釋。
即使當(dāng)像素不以嚴(yán)格的矩陣形式排列時(shí)，例如即使像素線(lines)在水平或垂直方向上交替移位半個(gè)像素，“行”和“列”的方向可作適當(dāng)?shù)慕忉尅?br> 如上所述，在本發(fā)明的固態(tài)成像設(shè)備中，用于濾色鏡中相同色彩的色彩分量濾光器與具有相同結(jié)構(gòu)的像素相對應(yīng)地布置。因此，當(dāng)成像像素區(qū)由具有不同結(jié)構(gòu)的像素限定時(shí)，盡管像素小型化，仍然可以通過將相同色彩的濾色鏡和具有不同結(jié)構(gòu)的像素結(jié)合在一起來抑制圖像質(zhì)量的降低，從而實(shí)現(xiàn)高的圖像質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)成像設(shè)備，包括成像像素區(qū)，包括多個(gè)具有不同結(jié)構(gòu)的二維排列的像素，每個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換區(qū)；和濾色鏡，包括多個(gè)布置在成像像素區(qū)上的色彩分量濾光器，與各個(gè)像素相對應(yīng)，每個(gè)色彩分量濾光器向光電轉(zhuǎn)換區(qū)提供特定的色彩光分量，其中，濾色鏡中用于相同色彩的色彩分量濾光器與具有相同結(jié)構(gòu)的像素相對應(yīng)地布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，成像像素區(qū)是每個(gè)由四個(gè)像素限定的基本單元的集合體，并且色彩分量濾光器包括分配給各自的四個(gè)像素的一個(gè)紅色分量濾光器、一個(gè)藍(lán)色分量濾光器和兩個(gè)綠色分量濾光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，基本單元的四個(gè)像素以2×2個(gè)像素的方式排列在矩形區(qū)域中，綠色分量濾光器布置在基本單元的第一對角線方向，紅色分量濾光器和藍(lán)色分量濾光器布置在基本單元的第二對角線方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，成像像素區(qū)包括分配給綠色分量濾光器的第一像素和具有不同于第一像素的結(jié)構(gòu)的第二像素，第一像素在成像像素區(qū)中隔行隔列排列，以便與綠色分量濾光器相對應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，基本單元的四個(gè)像素包括兩個(gè)第一像素和兩個(gè)具有不同于第一像素的結(jié)構(gòu)的第二像素，其中第二像素在成像像素區(qū)的像素行方向相鄰接，第一像素中的一個(gè)在像素列方向上與一個(gè)第二像素的一側(cè)相鄰接，另一個(gè)第一像素在像素列方向上與另一個(gè)第二像素的另一側(cè)相鄰接，并且其中紅色分量濾光器和藍(lán)色分量濾光器與第二像素相對應(yīng)，并且綠色分量濾光器與第一像素相對應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，基本單元的四個(gè)像素包括兩個(gè)第一像素和兩個(gè)具有不同于第一像素的結(jié)構(gòu)的第二像素，其中第二像素在成像像素區(qū)的像素列方向相鄰接，第一像素中的一個(gè)在像素行方向上與一個(gè)第二像素的一側(cè)相鄰接，另一個(gè)第一像素在像素行方向上與另一個(gè)第二像素的另一側(cè)相鄰接，其中紅色分量濾光器和藍(lán)色分量濾光器與第二像素相對應(yīng)，并且綠色分量濾光器與第一像素相對應(yīng)。
7.一種固態(tài)成像設(shè)備，包括成像像素區(qū)，包括多個(gè)二維排列的像素，每個(gè)像素具有光電轉(zhuǎn)換區(qū)；和布置在像素上的濾色鏡，其中，像素包括多個(gè)第一像素和具有不同于第一像素的結(jié)構(gòu)的第二像素，其中濾色鏡中用于相同色彩的色彩分量濾光器置于第一像素或第二像素上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，在用于讀取光電轉(zhuǎn)換區(qū)中累積的電荷的讀出晶體管所在的位置，第一像素不同于第二像素。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像設(shè)備，其中，在光電轉(zhuǎn)換區(qū)的光接收區(qū)域中，第一像素不同于第二像素。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)成像設(shè)備，進(jìn)一步包括一種芯片形式的信號處理電路，用于處理來自像素的信號。
全文摘要
在一種固態(tài)成像設(shè)備中，將基色拜爾濾色鏡提供在由具有不同結(jié)構(gòu)的像素所限定的成像像素區(qū)上。濾色鏡中用于相同色彩的色彩分量濾光器對應(yīng)于具有相同結(jié)構(gòu)的像素而布置。更具體地，像素基于濾色鏡的色彩分量濾光器的排列而布置，或者色彩分量濾光器基于像素的排列而布置。
文檔編號H04N5/00GK1617350SQ20041010059
公開日2005年5月18日 申請日期2004年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月1日
發(fā)明者田谷圭司 申請人:索尼株式會(huì)社